Wprowadzenie:
Węgiel jest podstawowym paliwem stałym w energetyce i ciepłownictwie. Paliwa stałe takie jak węgiel kamienny, węgiel brunatny, koks petrochemiczny, biomasa, czy też inne odpady palne a także węgle importowane są na ogół pochodzenia organicznego. Lecz mimo wspólnego pochodzenia różnice ich właściwości powodują, że zwykle wymagają różnych technologii spalania.
Najczęściej spotykane sposoby organizacji spalania węgla i odpowiadające im rozmiary cząstek węglowych to:
w palenisku rusztowym:
- z rusztem stałym (muł, miał)
- z rusztem ruchomym (groszek, orzech: 10÷30 mm)
b) w złożu fluidalnym:
- pęcherzykowym (<25 mm)
- cyrkulującym (<6 mm)
c) w płomieniu pyłowym (pozostałość na sicie: dla węgla kamiennego o zawartości części lotnych 25÷30%)
Największe rozdrobnienie węgla wymagane jest w paleniskach pyłowych mających największe zastosowanie w energetyce zawodowej. Podawana palnikami pyłowymi do paleniska mieszanka pyłowo-powietrzna spala się w płomieniu pyłowym (Rys. 1). Cząstki węgla spalają się indywidualnie, nie stykając się.
Rysunek 1 – Spalanie węgla w płomieniu pyłowym
Po dostaniu się cząstki węglowej do płomienia najpierw się ona nagrzewa a następnie spala. Okresy nagrzewania i spalania dzieli moment zapłonu części lotnych.
Okres spalania cząstki węgla można podzielić na dwa etapy:
- wydzielanie i spalanie części lotnych,
- spalanie pozostałości koksowej.
Czas spalania pozostałości koksowej jest o rząd większy od spalania części lotnych.
Schemat stanowiska pomiarowego:
Rysunek 2 - Stanowisko z piecem opadowym do pomiaru emisji zanieczyszczeń
Wykaz przyrządów pomiarowych:
Termopara – pomiar temperatury płomienia pyłowego;
Analizator – pomiar składu spalin;
Analizator sprzężony z komputerem – badanie składu spalin pod kątem zawartości tlenu i zanieczyszczeń.
Tabela pomiarowa:
Tabela 1 – Wyniki pomiarów
|
|
Skład spalin |
---|---|---|
O2 | ||
l/h | % | |
1 | 270 | 13,0 |
2 | 12,0 | |
3 | 10,8 | |
4 | 8,8 | |
5 | 6,0 | |
6 | 4,8 | |
7 | 3,3 | |
8 | 2,8 | |
9 | 1,8 | |
10 | 1,3 | |
11 | 1,0 | |
12 | 0,8 |
Przykładowe obliczenia:
Wyznaczenie współczynnika nadmiaru powietrza λ
$$\lambda = \frac{21}{21 - O_{2}} = \frac{21}{21 - 13} \cong 2,63$$
gdzie: λ – współczynnik nadmiaru powietrza
21 – zawartość tlenu w powietrzu, %
O2 – zawartość tlenu w spalinach, %
Przeliczenie poziomu zanieczyszczeń na odniesiony do stałej zawartości tlenu 6%
$$\text{CO}^{6\%} = \text{CO}^{\text{zm}} \bullet \frac{21 - 6}{21 - O_{2}}$$
$$\text{NO}^{6\%} = \text{NO}^{\text{zm}} \bullet \frac{21 - 6}{21 - O_{2}}$$
gdzie: CO6% - przeliczona zawartość CO w spalinach, ppm
NO6% - przeliczona zawartość NO w spalinach, ppm
COzm – zmierzona zawartość CO w spalinach, ppm
NOzm – zmierzona zawartość NO w spalinach, ppm
21 – zawartość tlenu w powietrzu w spalinach, %
6 – referencyjna zawartość tlenu w spalinach, %
O2 – zawartość tlenu w spalinach, %
Obliczenie strumienia spalanego węgla kamiennego o składzie elementarnym: c = 0,61, h = 0,04, o =0,1, s = 0,005, n = 0,01, w = 0,065, p = 0,20 (na podstawie danych z Zakładu Górniczego Janina: http://www.pkwsa.pl/sites/default/files/Charakterystyka%20technologiczna%20w%C4%99gla_ZG_Janina_2013.pdf):
$$n_{o}^{t} = \frac{c}{12} + \frac{h}{4} + \frac{s}{32} - \frac{o}{32} = \frac{0,61}{12} + \frac{0,04}{4} + \frac{0,005}{32} - \frac{0,1}{32} = 0,0577\frac{\text{kmol\ }O_{2}}{\text{kg\ paliwa}}$$
$$n_{a}^{t} = \frac{n_{o}^{t}}{0,21} = \frac{0,0577}{0,21} = 0,274\ \frac{\text{kmol\ powietrza}}{\text{kg\ paliwa}}$$
$$n_{a}^{'} = \lambda n_{a}^{t} = 2,63 \bullet 0,274 \cong 0,72\ \frac{\text{kmol\ powietrza}}{\text{kg\ paliwa}}$$
$$V_{a}^{'} = 0,72\frac{\text{kmol\ pow.}}{\text{kg\ pal.}} \bullet \frac{22,42\ \text{nm}^{3}\text{pow.}}{\text{kmol\ pow.}} \cong 16,16\frac{\text{nm}^{3}\text{pow.}}{\text{kg\ pal.}}$$
$$V_{p} = \frac{V_{a}}{V_{a}^{'}} = \frac{0,27\ \text{nm}^{3}/h}{16,16\frac{\text{nm}^{3}}{\text{kg\ pal.}}} \cong 16,7\ \frac{g}{h}$$
gdzie:
c, h, s, o, n, w, p – udział gramowy kolejno węgla, wodoru, siarki, tlenu, azotu, wilgoci i popiołu w węglu kamiennym
not – teoretyczna ilość tlenu potrzebna do zupełnego i całkowitego spalenia jednostki paliwa
nat – teoretyczne zapotrzebowanie powietrza
na′ - rzeczywista ilość powietrza
Va′ - strumień powietrza
Va - strumień powietrza doprowadzonego
Vp – strumień doprowadzonego paliwa
Wyniki obliczeń:
Tabela 2 – Wyniki obliczeń
Lp. | Vp | λ | CO6% | NO6% | SO26% |
---|---|---|---|---|---|
g/h | ppm | ppm | ppm | ||
1 | 17 | 2,63 | 118 | 587 | 238 |
2 | 19 | 2,33 | 110 | 755 | 262 |
3 | 21 | 2,06 | 98 | 747 | 270 |
4 | 26 | 1,72 | 87 | 689 | 360 |
5 | 31 | 1,4 | 72 | 541 | 342 |
6 | 34 | 1,3 | 82 | 498 | 420 |
7 | 37 | 1,19 | 84 | 353 | 466 |
8 | 38 | 1,15 | 89 | 314 | 500 |
9 | 40 | 1,09 | 95 | 229 | 509 |
10 | 41 | 1,07 | 189 | 152 | 628 |
11 | 42 | 1,05 | 757 | 130 | 715 |
12 | 42 | 1,04 | 12016 | 25 | 515 |
Wykres:
Wykres 1 – Wykres zależności emisji zanieczyszczeń przeliczonych na 6% udział tlenu w spalinach od współczynnika nadmiaru powietrza (λ)
Uwagi i wnioski:
Wniosek 1: Dobór urządzeń do organizacji spalania węgli wynika z różnicy właściwości węgli i rozmiaru ich cząstek.
Wniosek 2: Warunki spalania węgla są najkorzystniejsze przy odpowiednim współczynniku nadmiaru powietrza (tu dla λ = 1,3) oraz zapewnieniu właściwej turbulencji w obszarze spalania, powodującej lepszy dopływ tlenu do powierzchni na której odbywa się proces spalania.
Wniosek 3: W kotłach pyłowych uzyskanie NO na poziomie 200 mg/m3 jest możliwe bez stosowania drogich katalizatorów, ale towarzyszy temu niecałkowite spalanie. Na wykresie 1 zauważamy, że zmniejszeniu ilości jednego tlenku towarzyszy wzrost ilości drugiego, co utrudnia zoptymalizowanie warunków spalania oraz zwiększenie sprawności pracy danego układu.
Wniosek 4: Wraz ze wzrostem ilości podawanego paliwa współczynnik nadmiaru powietrza malał.